电参数传感器

电参数传感器第一页，共九十六页，编辑于2023年，星期一一、概念：电阻应变计是将被测量的力（压力、荷重、扭力等）通过它所产生的金属弹性变形转换成电阻变化的敏感元件。它是由电阻应变片和测量线路两部分组成。2、特点：参量类——外加物理量引起参数变化（R、L、C），属无源式。

第一节

电阻应变传感器第二页，共九十六页，编辑于2023年，星期一二、电阻丝式应变计结构用直径为0.025mm的具有高阻率的电阻丝排列成栅网状，并粘贴在绝缘的基片上，电阻丝的两端焊接有引出导线，线栅上面粘贴有覆盖层（保护用）。可有如下形状：第三页，共九十六页，编辑于2023年，星期一lbl称应变片的标距或工作基长b称应变片的工作宽度b*l称应变片的规格第四页，共九十六页，编辑于2023年，星期一丝式(wiregauge)箔式(foilgauge)通过光刻、腐蚀而成，散热条件好，电流密度高，灵敏度高，可制成任意形状。

薄膜式(filmgauge)真空蒸镀技术制成，特点同上。第五页，共九十六页，编辑于2023年，星期一三、电阻丝的应变效应1、应变：由于外因使物体的形状尺寸所发生的相对改变。2、工作原理:压阻效应用相对变化量表示：受力后各部分的变化引起电阻的变化或第六页，共九十六页，编辑于2023年，星期一对于直径为r的圆形截面电阻丝：直径与长度的关系系数：泊松系数太小，可忽略μ=0.3～0.5K=1.6～2ε=10-6～10-3∴第七页，共九十六页，编辑于2023年，星期一灵敏度系数K的意义：

单位应变所引起的电阻相对变化，主要是受力后材料的几何尺寸变化引起。

3、结论：

金属电阻丝的电阻相对变化率与轴向应变成正比。

4、特点：

优点:稳定性和温度特性好.

缺点:灵敏度系数小.

第八页，共九十六页，编辑于2023年，星期一五、电阻应变传感器的测量电路1、电桥的特点：当四个桥臂电阻达到某一关系时，电桥输出为零，可测微小的电阻变化，灵敏度和准确度均高。下面为直流电桥。U0平衡时：测量前应调零，使输出值只与电阻的应变相关R1R2R3R4ABCDU第九页，共九十六页，编辑于2023年，星期一电桥的特点（P81）：电桥平衡条件：仅由桥臂各参数之间的关系确定，与电源电压及指零器内阻无关。平衡电桥各臂灵敏度相等当R1=R2=R3=R4时电桥灵敏度最大R1RxR3ABCDUU0QJ23简图QJ23电阻测量范围：1～106Ω准确度：0.2级（在100～9999Ω内）测量1～10-5Ω小电阻应用双电桥。第十页，共九十六页，编辑于2023年，星期一2、工作原理：条件：电桥负载电阻无穷大，ΔRi<<Ri有：1）单臂电桥：R1为应变片并且R1=R2=

R3=R4则：应变前相等第十一页，共九十六页，编辑于2023年，星期一2）双臂电桥：静态时：R1=R2=R3=R4R1为拉应变片R2为压应变片则：灵敏度为单臂电桥的2倍精度高线性好R1R2R3R4ABCDUU0第十二页，共九十六页，编辑于2023年，星期一3）全桥情况：R1=R2=

R3=R4

均为应变片ΔRi/Ri=Kεi则：灵敏度为单臂电桥的4倍精度高线性好R1R2R3R4ABCDUU0第十三页，共九十六页，编辑于2023年，星期一结论：差动电桥灵敏度高，可克服非线性误差，并有温度补偿作用（同向误差抵消）。电桥灵敏度正比于电桥供电电压，但提高电压受到应变片允许功率的限制。采用高内阻的恒流源供电电桥可减少非线性误差。R1R2R3R4UU0R1R2R3R4UU0直流电桥的调零第十四页，共九十六页，编辑于2023年，星期一六、半导体应变片1、压阻效应：对半导体的某一轴向施加一定的载荷而产生应变力时，其电阻率会发生一定的变化。第十五页，共九十六页，编辑于2023年，星期一2、压阻效应的大小用压阻系数来表示：纵向所受应力横向压阻系数纵向压阻系数横向所受应力电阻率的相对变化率第十六页，共九十六页，编辑于2023年，星期一若只沿其纵向受到应力，令则半导体材料的弹性系数纵向的应变其中第一、二项是几何形状变化对电阻的影响，其值约为1~2；第三项为压阻效应的影响，其值约为第一、二项的50~70倍。第十七页，共九十六页，编辑于2023年，星期一3、特点：灵敏系数高，可测微小应变，机械迟滞和横向效应小，体积小。但温度稳定性差，灵敏系数非线性大，需补偿第十八页，共九十六页，编辑于2023年，星期一七、应用方法方法一：将电阻应变片直接贴在被测点上，用专门的电阻应变仪测出该点的应变。方法二：将其贴在弹性元件上，弹性元件在被测物理量作用下变形应变片作为传感元件将应变转换为电阻的变化。第十九页，共九十六页，编辑于2023年，星期一被测量（力）→受力结构的应变→电阻的变化率最终电阻变化率与受力结构相关（形状、尺寸、材料、热处理、加工厚度、角度）第二十页，共九十六页，编辑于2023年，星期一第二十一页，共九十六页，编辑于2023年，星期一误差分析：1、横向效应横向缩短作用引起的电阻值的减小对于轴向伸长作用引起的电阻值的增加量起着抵消的作用，它使所测应变数值偏小，或说使应变片灵敏系数减小。弯曲半径越大，横向效应也越大。通过改变电阻丝排列的形状可减小之。第二十二页，共九十六页，编辑于2023年，星期一2、温度影响：由于环境温度改变引起电阻值变化1）由电阻丝温度系数α引起；2）由电阻丝与被测件材料的线膨胀系数α1、α2的不同引起的。当温度变化Δt,应变片电阻的增量ΔRt可用下式表示：

ΔRt=RοαΔt+RοK(α1-α2)Δt=Rο[α+K(α1-α2]Δt令αt=α+K(α1-α2)则：ΔRt=RοαtΔt

第二十三页，共九十六页，编辑于2023年，星期一1）热敏电阻补偿（串联弹性模量补偿电阻器降低电桥输出电压）T↑→K↓→U0`↓→U0↓→Rt↓→U0↑2)工作片：承受应力补偿片：不受应力U0不变R3R4U0UR1R0RtR2R1R2R3R4ABCDUU0补偿片工作片温度补偿第二十四页，共九十六页，编辑于2023年，星期一2.蠕变自补偿：

因其材料的滞弹性效应而存在固有微蠕变特性：基底存在粘弹性贴片用粘结剂存在粘弹性

敏感栅材料滞弹性效应迭加后的结果是呈现或正或负的蠕变特性补偿方法：通过改变敏感栅结构设计、调整基底材料配比及关键工艺参数。选择蠕变与弹性体固有蠕变数值相等但方向相反的应变计第二十五页，共九十六页，编辑于2023年，星期一3.弹性模量自补偿：

材料的弹性模量一般随着环境温度的升高而下降根据虎克定律：ε=δ/E，随着温度的升高构件的变形量将增大，因而应变计所测量的应变ε也随之增加。

补偿原理：根据R/R=Kε，如果应变计的灵敏系数K能随温度升高而适当降低，则应变计的输出不随温度改变。

补偿方法：将弹性模量与弹性体材料良好匹配。则传感器温度灵敏度漂移可优于0.001%F.S。

补偿特点：精度、灵敏高、稳定性好、简单、价廉。

问题：应变计热输出值较大，致使传感器输出电阻温度系数超差，零点温度漂移较大。应兼顾温度自补偿与弹性模量。第二十六页，共九十六页，编辑于2023年，星期一另外须注意的事项：应变极限，疲劳寿命，绝缘电阻，最大电流。

分类应变计金属应变计压电二极管,压电晶体管半导体应变计丝式箔式薄膜式薄模型体型扩散型第二十七页，共九十六页，编辑于2023年，星期一第二节热电阻传感器概念：利用电阻随温度变化的特性制成的传感器。主要检测参数：温度、与温度有关的参量。分类：1）金属热电阻（热电阻）

2）半导体热电阻（热敏电阻）第二十八页，共九十六页，编辑于2023年，星期一一、金属热电阻（热电阻）1、材料：要求有大的、稳定的温度系数，ρ大，线性好，性能稳定，便于生产（铜、铂、镍）。2、特点：测温精度较高，范围广（-200～600

0C），稳定性、重复性好。但热惯性大，灵敏度低。3、结构：热电阻是由电阻体、绝缘套管和接线盒等主要部件组成的，电阻丝是热电阻的最主要部分。第二十九页，共九十六页，编辑于2023年，星期一4、特点1）铂电阻阻值与温度的函数关系为:其中：A,B,C为常数第三十页，共九十六页，编辑于2023年，星期一特点：精度高、稳定性好、性能可靠。测温范围广。我国分度：

R0=46ΩBA1

R0=100ΩBA2

R100/R0=1.391结构：用很细的铂丝绕在云母片制成的平板性支架上，铂丝绕组的出线端与银丝引出线相焊，并穿上瓷套管加以绝缘和保护。微型铂电阻:特点是体积小，热惯性小气密性好第三十一页，共九十六页，编辑于2023年，星期一2）铜电阻适用范围：-50～1500C,精度要求不高的场合优点：铜的电阻与温度呈线性关系电阻温度系数高易提纯，价格便宜缺点：机械强度不高、易氧化等,温度范围小。第三十二页，共九十六页，编辑于2023年，星期一阻值与温度的函数关系为:

α＝４.25～４.28×10-3/0C分度号:GR0=53ΩWZG型（常用铜热电阻）3）其它金属热电阻：铟电阻，锰电阻，碳电阻第三十三页，共九十六页，编辑于2023年，星期一5、测温电路：

用电桥作为传感器的测量电路，在进行温度测量时特点是精度高，适于测低温。

热电阻的三线制：工业上用的铂电阻的引线为三根，目的是消除连接线电阻的影响。

R2RtR4RtR1tμAt第三十四页，共九十六页，编辑于2023年，星期一UfRt+-ttR第三十五页，共九十六页，编辑于2023年，星期一二、热敏电阻1）分类：直热式：由金属氧化物粉料（半导体）按一定比例挤压成型。旁热式：除半导体外还有金属丝绕制的加热器。2）特点：非线性：R与T呈指数关系

V与I的变化不服从欧姆定律第三十六页，共九十六页，编辑于2023年，星期一稳定性差，一致性差（同一型号差3~5%）灵敏度高（可测量0.001～0.005度的微小变化）热惯性小，结构简单，使用广泛。

本身电阻止在3～700ＫΩ,可用于远距离测量在-50～350度范围内,线性度好第三十七页，共九十六页，编辑于2023年，星期一片式负温度系数热敏电阻BN系列珠状NTC热敏电阻器GN系列玻壳型NTC热敏电阻器PN系列功率型NTC热敏电阻器SN系列温度传感器第三十八页，共九十六页，编辑于2023年，星期一3）温度特性：NTC：具有负温度系数，阻值随温度升高而下降，一般-50～3000CPTC：具有正温度系数，阻值随温度升高而升高NTC与PTC均有突变型与缓变型，但NTC以缓变型多，PTC以突变型多。电阻温度系数大：NTC-2~-6%/0C

PTC1~-10%/0C第三十九页，共九十六页，编辑于2023年，星期一作业

第四十页，共九十六页，编辑于2023年，星期一4）用途测微弱的温度变化，点温、面温，快速温度测量，低精度测温；温度补偿；温度开关；温度控制；稳定振幅、放大倍数、输出电压等。第四十一页，共九十六页，编辑于2023年，星期一热电阻的测温电路:电桥测温R2R3R4A-

+

UR2R3R4BUA+-R1tR1t双桥温差测量电路第四十二页，共九十六页，编辑于2023年，星期一R2R3R4U0URtR1tR0温度补偿例：应变片测量的温度补偿第四十三页，共九十六页，编辑于2023年，星期一1、定义：电感传感器是将被测量转换为线圈的自感或互感的变化来测量的装置。2、特点：结构简单、可靠，输出功率高，分辨力高（0.01μm),灵敏(几百mV/1mm)

线性较好(0.05～0.1%），稳定，抗干扰能力强。但频率响应低，不宜进行快速动态测量。概述第四十四页，共九十六页，编辑于2023年，星期一一、简单自感传感器工作原理1、结构：由线圈、铁心和衔铁组成。第三节自感传感器第四十五页，共九十六页，编辑于2023年，星期一2、线圈自感电动势：第四十六页，共九十六页，编辑于2023年，星期一3、线圈自感电动势：一般导磁体的磁阻与空气隙的磁阻相比很小，可忽略。空气隙相对截面积空气隙厚度第四十七页，共九十六页，编辑于2023年，星期一可变磁阻式自感型--可变磁阻式位移传感器dm202SwL=(a)(b)(c)(d)（a）可变导磁面积型；（b）差动型；（c）单螺管线圈型；（d）双螺管线圈差动第四十八页，共九十六页，编辑于2023年，星期一

灵敏度线性行程制造变δ高差小难变S较高好大较易螺管式低差大易二、自感传感器类型分三个类型：第四十九页，共九十六页，编辑于2023年，星期一三、差动自感传感器1、组成：由两个具有公共衔铁的完全相同的自感传感器组成，衔铁处于中间位置时，U0=02、特点：抗干扰能力强，灵敏度提高一倍，线性好，精度及特性变好，电磁吸力对测量力的影响相互抵消。第五十页，共九十六页，编辑于2023年，星期一四、测量电路（L→I/V的幅值、频率、相位的变化）基本测量电路通常都采用交流桥路

1、一般电桥Z1=Z+ΔZZ2=Z-ΔZUUU0U0第五十一页，共九十六页，编辑于2023年，星期一四、测量电路基本测量电路通常都采用交流桥路四、测量电路基本测量电路通常都采用交流桥路如衔铁上移：δ1↓→ωL1↑→Z1=Z+ΔZδ2↑→ωL2↓→Z2=Z-ΔZ2、变压器电桥如衔铁下移：Z1=Z-ΔZZ2=Z+ΔZ相差1800变压器电桥简单，输出阻抗小，应用广泛。第五十二页，共九十六页，编辑于2023年，星期一结论：输出U0的大小与位移的大小相关；输出U0的方向与位移方向相关，可相差1800

但交流表只能反映输入的大小，无法辩向。

残余电压是由于结构上不对称及励磁电压中有高次谐波等原因造成。第五十三页，共九十六页，编辑于2023年，星期一3、相敏整流电路：既反映输入的大小，又能辩向在中间位置时，Z=Z1=Z2输出为零如衔铁上移：Z1=Z+ΔZZ2=Z-ΔZ当电源上正下负时,VR1<VR2输出下正上负当电源上负下正时，VR1>

VR2输出仍下正上负所以：当衔铁上移时，输出下正上负，其大小与位移相关第五十四页，共九十六页，编辑于2023年，星期一同理：如衔铁下移：Z1=Z-ΔZZ2=Z+ΔZ当电源上正下负时,VR1>VR2输出上正下负当电源上负下正时,VR1<

VR2输出仍上正下负所以：当衔铁下移时，输出上正下负，其大小与位移相关。4、特点简单，输出功率大，精度较高，但输出与激励电源频率相关，要求有稳频电源。5、应用测位移。派生量：压力、流量、厚度、震动等，量程<100mm第五十五页，共九十六页，编辑于2023年，星期一一、概念：差动变压器是互感传感器，是把被测位转换为传感器线圈的互感的变化量，由于常做成差动的，故称差动变压器。二、工作原理主要由一个线框和一个铁心组成。一次线圈一组，二次线圈两组。第四节差动变压器P第五十六页，共九十六页，编辑于2023年，星期一PS1S2PS1PS2(a)三段式(b)二段式Es2Es1EpEsx-x第五十七页，共九十六页，编辑于2023年，星期一当铁芯在平衡位置时，U21=

U22第五十八页，共九十六页，编辑于2023年，星期一空载时的等效电路

第五十九页，共九十六页，编辑于2023年，星期一中间位置时，M1=M2输出为零如铁芯上移：M1=M+ΔMM2=M-ΔM如铁芯下移：M1=M-ΔMM2=M+ΔM与U21极性相同与U21极性相反第六十页，共九十六页，编辑于2023年，星期一三、特性1、灵敏度：一般大于50mV/mm/V提高灵敏度的措施：提高Q值，增大尺寸，长度：直径=1.2:2.0增大铁芯直径，采用导磁率高的材料；提高励磁电压。2、频率特性：激磁频率一般取：10～50KHZ，也可在5～400KHZ内。但频率太高引起温度及频率误差增大频率太低引起铁损及偶合电容影响增大第六十一页，共九十六页，编辑于2023年，星期一矛盾：f↑→φ↑→U2↑f↑→ωL↑→U2↓4、温度特性温度误差主要受机械部分的热胀冷缩和一次线圈中的电阻的温度系数影响。5、零点残余电压及其消除方法零点残余电压主要由结构的不对称、和高谐波等引起。采用相敏整流电路使输出同时反映铁芯移动的大小与方向，并大大减少零点残余电压。也可附加调零电路解决。取最佳值第六十二页，共九十六页，编辑于2023年，星期一

差动变压器的输出特性加相敏整流的输出特性

第六十三页，共九十六页，编辑于2023年，星期一一、涡流的概念 涡流—成块的金属置于变化着的磁场中或者在磁场中运动时，金属体内都要产生感应电动势形成电流，这种电流在金属体内是自己闭合的，称为涡流。其大小与（μ、ρ、ω、δ、x）有关。第五节涡流传感器第六十四页，共九十六页，编辑于2023年，星期一二、涡流传感器的特点可进行非接触测量，动态响应好，灵敏度高。主要测量位移、厚度、振动以及探伤等，应用极为广泛。三、分类高频反射涡流传感器低频透射传感器第六十五页，共九十六页，编辑于2023年，星期一五、高频反射涡流传感器第六十六页，共九十六页，编辑于2023年，星期一1、基本工作原理

i→Φi→ie→Φe→原线圈L变化当传感器与被测导体靠近时，传感器的等效阻抗Z将发生变化，Z可表示为：

Z=R+rω²M²/（r²+ω²l²）

+jω[L-lω²M²/（r²+ω²l²）]

URLMrliie等效电路第六十七页，共九十六页，编辑于2023年，星期一分析：R`——rω²M²/（r²+ω²l²）反射电阻L`——(L-lω²M²)/（r²+ω²l²）反射电感受涡流影响，电阻增加，电感变化，Q下降可用函数式表示如下：2、单值函数关系 第六十八页，共九十六页，编辑于2023年，星期一3、结构形式主要是一个安装在框架上的线圈，线圈内可绕成一个扁平圆形粘贴于框架上；也可在框架上开一条槽，导线绕制在槽内而形成一个线圈。4、测量方法

1）调频法震荡器f计f-V电压表fx第六十九页，共九十六页，编辑于2023年，星期一2）调幅法5、影响高频反射涡流传感器灵敏度的因素

1）并非真正的单值函数

2）被测物体形状对测量的影响（D/d>3.5）

3）材质的影响U0石英震荡器放大检波指示x第七十页，共九十六页，编辑于2023年，星期一渗透深度与励磁电流的频率相关六、低频透射涡流传感器第七十一页，共九十六页，编辑于2023年，星期一U→i

→

Φi→ie→Φe→Φ→E下面线圈的感应电压E主要与M的厚度相关还与U的幅值、频率以及两线圈的匝数以及相对位置相关。ρ小，选f500HZρ大，选f2kHZ第七十二页，共九十六页，编辑于2023年，星期一七、涡流传感器的应用特点:

为非接触测量；线性度好,分辨率好;大量程,重0.01m-40mm;体积小,重量轻,驱动功率小;灵敏度好,0.1-1V/mm.利用：x可测位移，派生量为厚度，震幅，转速，热膨胀系数钢水的液位；ρ可进行材质判别，非磁性材料；

可测量应力，硬度；ρ

x综合影响可进行金属的探伤。第七十三页，共九十六页，编辑于2023年，星期一传感器及应用技术应用举例：连续油管的椭圆度测量EddySensor

CoiledTubeReferenceCircle涡流式说明:(1)连续油管；(2)椭圆度；(3)在线测量系统。第七十四页，共九十六页，编辑于2023年，星期一传感器及应用技术第七十五页，共九十六页，编辑于2023年，星期一本章结束作业试论述差动电感传感器的特点并比较其常用的测量电路的特点。思考：设计一个用接近开关进行测速的相关电路。第七十六页，共九十六页，编辑于2023年，星期一

第六节电容传感器第七十七页，共九十六页，编辑于2023年，星期一一、电容传感器的工作原理

由两平行极板组成一个电容器，若忽视其边缘效应，电容量表示为：+++dA第七十八页，共九十六页，编辑于2023年，星期一++++++二、分类:1、面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型。可测位移、尺寸特点：线性，灵敏度低，只可测cm级。第七十九页，共九十六页，编辑于2023年，星期一2、介质变化型第八十页，共九十六页，编辑于2023年，星期一3、极距变化型：d0x特点：非线性，C=f（x）是一个双曲线函数但容抗xc=f（x）呈线性关系可测量微米级的位移，一般d<10mm，最大位移限制在<

d/10第八十一页，共九十六页，编辑于2023年，星期一第八十二页，共九十六页，编辑于2023年，星期一3、特点：固体仪表：无可动部件高精度：0.25级全天候表：-28~930C品种：9个品种

10个系列第八十三页，共九十六页，编辑于2023年，星期一4、1151smart智能变送器美国Rosemount公司第八十四页，共九十六页，编辑于2023年，星期一工作原理：与1151电容式差压变送器相比，测量部分不变，转换部分数字化。第八十五页，共九十六页，编辑于2023年，星期一优越性1、宽量程比400：1（原6：1）2、自动补偿：温度自动补偿